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加快发展竹缠绕复合材料产业,助力实现碳达峰碳中和

时间:2022-05-19     【转载】   来自:世界竹藤通讯

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一、概述

中国是世界上主要的产竹国,素有“竹子王国”之誉。全国竹林面积641万公顷,立竹数量超过280亿株,竹材总蓄积量约5亿吨。在碳达峰碳中和的背景下,竹产业以新型的复合材料和固碳能力,展现在人们面前。

竹缠绕复合材料以竹材为基材、以树脂为胶黏剂,采用无应力缺陷的缠绕工艺加工而成。充分发挥了竹材轴向拉伸强度高、弹性模量大的特点,具有重量轻,强度高、绝缘性和耐腐蚀性好、使用寿命长等特点。竹缠绕复合材料制成的管道、管廊、房屋等产品,可广泛应用于城市给排水、农田灌溉、水利输送、城市管廊、新农村建设等领域,有效减少钢铁、水泥、塑料等高耗能产品的需求量。完全自主创新,技术水平国际领先。

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竹缠绕复合材料的组成结构

竹缠绕复合材料具有优良的技术指标,测试表明,在埋地1米深、地面车载90吨的情况下,竹缠绕管廊最大竖向变形量不到1%,远低于3%的控制标准;在管道形变超过30%时,抗压强度还可以继续上升,弯曲强度保留率为108.4%,弯曲弹性模量保留率为112.4%;国家农业灌排设备监督检验中心对竹缠绕复合管进行1万小时静水压试验,竹缠绕复合管在正常件下,使用寿命可达50年以上。加拿大国家林产品创新研究院对竹缠绕复合材料进行加速老化试验,表明竹缠绕复合材料在自然条件下使用56年后,强度保留率为74%。

竹缠绕复合材料的生产全过程能耗和碳排放均要明显小于钢筋混凝土产品,以压力等级为0.6兆帕、管径为1000毫米的管道为例,能耗仅为54.9千克标准煤/米。分别比焊接钢管、塑料管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管、钢筋混凝土排水管节能77.6%、64.2%、77.3%、38.3%、32.2%。

二、竹缠绕复合材料的市场应用潜力宽广

近年来的发展,竹缠绕复合材料技术的产品定位更加明确,产品包括竹缠绕复合管、竹缠绕管廊、竹缠绕高铁车厢、竹缠绕房屋、竹缠绕厕所、竹缠绕军工产品等六个系列。其中,竹缠绕复合管和竹缠绕管廊已经进入产业化应用阶段,其余4种产品已经研制成功,取得突破性进展。

(一)竹缠绕复合管 

竹缠绕复合管是首款研制成功并开展工程应用的竹缠绕产品,主要包括三层结构,沿管径方向,由内到外依次为内衬层、增强层和外防护层,三者由不同的材料组成,发挥不同的作用。内衬层采用防腐性能优异且符合食品安全标准的树脂和竹纤维无纺布、竹针织毡制成,防渗且内壁光滑;增强层由竹篾、生物填料和氨基树脂制成;外防护层一般采用防水防腐性能较好的树脂和防辐射填料制成。竹缠绕复合管的生产工艺主要包括竹材加工、氨基树脂生产、内衬制作、增强层缠绕、加热固化、修整脱模、外防护层涂刷等流程。

与焊接钢管、塑料管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管等传统管道相比,竹缠绕复合管具有明显的性能优势、施工优势和价格优势。性能方面,竹缠绕复合管使用寿命长、保温性能突出、糙率系数低、水流性能佳、抗震性能好、防渗性能好等优异性能,符合生活饮用水输配水设备安全性评价标准,具备最优化的纵向和环向力学性能,可广泛应用于水利输送、农田节水灌溉、城市给排水等管道运输行业。竹缠绕复合管在安装施工过程,管道铺设接头少,运输方便,施工效率高,劳动强度和技术要求低,不需要特别的垫土层。

(二)竹缠绕管廊 

竹缠绕管廊是在城市综合地下管廊大规模建设的背景下开始研制的。2017年,5米直径的竹缠绕管廊研制成功;2020年7月,我国首根8米直径的竹缠绕管廊研制成功,并达到世界领先水平。

竹缠绕管廊也是以竹篾、生物填料为基体材料、树脂为胶黏剂,采用缠绕工艺制作而成,具有防火耐水、抗震抗沉降能力强、初始力学性能好、稳定性高、使用寿命长、综合造价低、施工安装方便等优势,实现了资源可再生、节能低碳。与钢筋混凝土管廊相比,竹缠绕管廊的工程施工周期仅为其30%,综合成本仅为其70%—80%。完全可代替钢筋混凝土制作的管廊。

(三)竹缠绕房屋 

竹缠绕房屋也是竹缠绕产品之一。2017年10月,世界上第一款竹缠绕整体组合式房屋研制成功。除整体组合式房屋外,竹缠绕房屋还包括新时代农居、单体公寓等类型。

竹缠绕房屋是以竹材为基体材料、秸秆为填充材料、树脂为胶黏剂,采用缠绕工艺制作而成,具有资源可再生、节能低碳、抗震、保温、隔音、防火、建造速度极快等优势,可取代目前使用钢筋、水泥建设的房屋。最终将实现今后农村建房中不再使用钢筋、水泥、砖头和瓦片的目标。

竹缠绕房屋的建造流程包括主体缠绕、房屋起吊、房屋运输、房屋组装、光伏安装五个环节。其中,主体缠绕是以每间房屋为单位在工厂中进行整体缠绕成型、装修、放置家具。房屋运输也是每间房屋整体运输。在现场进行组装时,200平方米的二层房屋一般只需2—4小时即可组装好。

(四)竹缠绕高铁车厢 

2017年6月,竹缠绕高铁车厢样品研制成功。竹缠绕高铁车厢具有资源可再生、低碳环保、质轻、抗震、保温、隔音、防火、安全性好、综合成本低等优势,符合国家提出的发展绿色、轻量化交通的要求。由于竹缠绕复合材料具有吸收缓冲撞击力的天然属性,车厢在受到极限外力的情况下,能减少乘客受到冲撞力,减少事故的伤亡率,可极大提高高铁在极端情况下的安全性能。目前,竹缠绕高铁车厢正在进行全面测试。

三、产业基地扩大

2015年7月,首个年产2万吨管道的生产单元在湖北襄阳建成投产,开创了林产业转型的先河;山东、内蒙古、广西、福建、河南、重庆等地也陆续建设了竹缠绕生产基地,产业化基地不断扩大。截至目前,竹缠绕产业已有7个产业化基地先后建成投产,建设投资4.5亿元,年产能11万吨。全部达产后产值预计可达到16.5亿元。

同时,河南、湖北、湖南、四川等地有4个竹缠绕生产基地正在建设过程中,建设投资总计4.7亿元,预期产能为10万吨,预期产值为15亿元。

国内另有9个生产基地已经签约,分别位于浙江、贵州、陕西、广西、四川(2个)、山东、江苏、重庆8个省市,预期投资为11.7亿元,预期产能26万吨,预期产值39亿元。为了扩展海外市场,国内竹缠绕相关企业与菲律宾、缅甸、尼泊尔也分别开展合作,目前已签约3个国际项目。

具有一定规模的产业化基地是一个产业发展成熟的基本条件。另外一项条件是原料供应基本保障。全国竹材总蓄积量超过5亿吨,每年可砍伐量约1.5亿吨。而当前竹材每年砍伐消耗量仅4000万吨。显而易见,国内丰富的竹资源为竹缠绕产业的发展提供了较为充足的原材料。从地区分布来看,中国竹资源主要集中在福建、江西、浙江、湖南、四川等地,5个地区的竹林面积约451.4万公顷,占全国竹林面积的70%。为了保证原料供应,竹缠绕产业将在南方部分有竹省份建立数百个竹材加工基地,向竹缠绕产品生产企业供应竹材500万吨。

四、竹缠绕产业具有显著的减碳固碳与社会经济效益

一是显著经济效益,竹缠绕复合管使用竹材作为增强层材料,并以树脂为胶黏剂,每吨竹缠绕复合管可以相应产出1.1万元的产值,和9000元的辅产品产值。以当前技术最成熟、工业化应用最多的竹缠绕复合管为例,当竹缠绕复合管分别替代焊接钢管、塑料管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管、钢筋混凝土排水管五种传统管道75%的产量时,仅投资2280亿元,竹缠绕复合管产量将达到3800万吨,消耗竹材1.1亿吨,产值可实现7600亿元,形成减碳固碳总量1.54亿吨二氧化碳。

城市排水管网领域现有73.5万公里排水管,如果全部用竹缠绕复合管进行更新,消耗8900万吨竹材,可以创造1.78万亿元的竹缠绕复合管的产值。同时竹材培育、竹篾加工、管道生产三个环节,共增收3740亿元。

在农业灌溉领域,如果全部采用竹缠绕复合管,建设2亿亩高标准农田所需的120万公里农业灌溉管道,需求1400万吨竹缠绕复合管的生产,可以创造2800亿元的产值,竹材培育、竹篾加工、管道生产三个环节共可增收600亿元。

二是竹缠绕复合材料的应用有助于减少高耗能产业比重,加速产业结构调整,不仅是实现碳减排与碳中和的重要抓手,还是缓解能源安全问题与环境问题的重要途径。竹缠绕复合材料的应用可充分发挥基础材料的作用,有助于促进国民经济可持续发展,保证新基建的高质量推进,推动制造强国战略的实施。

三是减碳固碳,发展竹缠绕产业是实现碳中和的关键举措。在当前化石能源消费占比仍高达85%的情况下,竹缠绕产品替代高耗能产品产生的节能效益可形成显著的减碳效益。除以上分析之外,竹林的固碳能力远超普通林木,是杉木的1.46倍,热带雨林的1.33倍。每年可实现减碳1.97亿吨、固碳1.05亿吨,减碳固碳总量达到3.02亿吨,约占2019年中国碳排放总量的3.1%,对实现碳达峰碳中和具有重要推动作用。

五、竹缠绕产业的展望

(一)社会影响力不断提高 

早在2014年,竹缠绕复合压力管就已通过国家林业和草原局的科技成果鉴定,该成果达到国际领先水平。2015年以来,竹缠绕复合材料技术陆续被列入水利部、国家发展和改革委员会、国家林业和草原局、住房和城乡建设部、科学技术部、工业和信息化部等部委发布的相关技术目录中,并被评为全国建设行业科技成果推广项目、绿色建筑节能推荐产品、工程建设推荐产品;来自政府部门与社会各界的广泛肯定,强化了竹缠绕复合材料技术的品牌效应,对技术推广起到了重要的推动作用。

(二)壮大自主创新力量,推动制造强国战略的实施 

竹缠绕复合材料是中国制造的首创新材料,完全自主创新,是真正的中国制造。截至2020年,累计专利250余项,其中发明专利45项,国际专利14项。形成1项国家标准、2项行业标准、1项团体标准,质量控制体系初步建立。分别成立了国家林业和草原局竹缠绕复合材料工程技术研究中心与国家林业和草原局推进竹缠绕产业发展领导小组,机构建设不断完善。壮大了中国自主创新力量,将成为中国实施制造强国战略、实现制造强国目标的重要推动力量。

(三)发挥基础材料的作用,促进国民经济可持续发展 

新材料研发与应用。作为一种新型生物基材料,竹缠绕复合材料以天然竹材为基材,具有原料可再生、能源消耗低、环境污染少、碳排放少等特点,充分发挥了生物基材料的优势,避免了钢铁、水泥、塑料等传统材料带来的高能耗、高排放问题,在城市给排水、农田水利、城市管廊、乡村振兴等领域具有广阔的应用前景。

目前,中国仍有1.1亿吨闲置竹资源,若将其全部生产化,生产竹缠绕复合管等产品,竹缠绕复合管年产量增加31.8万千米,实现年产值为7600亿元,可形成4600万吨标准煤的节能能力,减排二氧化碳1.18亿吨,可形成固碳量3600万吨,减碳固碳总量1.54亿吨。因此,新型竹缠绕复合材料应用前景远大,可期待大力发展。